為什么現(xiàn)代的常規(guī)潛艇不使用鋰電池？性價比不高，缺乏安全性
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-19 11:04
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自從電被發(fā)明出來之后，生活也就變得有趣起來了。后來又出現(xiàn)了電池，更是讓生活變得方便，尤其是現(xiàn)在的一些移動電子產(chǎn)品，都是依靠著電池才能夠?qū)崿F(xiàn)隨身攜帶。
電池這東西，自出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)更新?lián)Q代好多了。而在目前，應(yīng)用在移動電子設(shè)備上的一般都是鋰電池。相比較市面上的其它種類的電池，同等單位內(nèi)鋰電池可以儲存更多的能量，而且比較穩(wěn)定。就算放著不用，本身放電也不多，重量又輕，壽命又長。集眾多優(yōu)點于一身，所以應(yīng)用特別的廣泛，各行各業(yè)都能夠看見。但是，在常規(guī)潛艇上卻是不使用鋰電池的。鋰電池的優(yōu)勢不是很明顯嗎，為什么不使用呢？
這其中的原因主要是以下幾個方面：一個是成本，雖然說鋰電池可以儲存更多的能量，但是相同電量的鋰電池制造成本是目前裝配的鉛酸電池的4倍以上，按照潛艇需要裝備幾十噸的量，那可是一筆大資金呀。還有就是使用壽命了，雖然說鋰電池壽命長，但是那是在遵循滿放滿充的原則下的，軍艦自然難以做到，要根據(jù)任務(wù)調(diào)配，這樣安裝的鋰電池的壽命還不如其它的電池。最重要的一點就是安全性了，那就是鋰電池容易爆炸。這是因為鋰電池在充放電時會放熱，不進行引導(dǎo)就容易爆炸。而潛艇是個密閉的空間，如果用海水冷卻在戰(zhàn)時就容易被敵軍發(fā)現(xiàn)。所以，在這些因素的共同作用下，潛艇就沒采用鋰電池，而是鉛酸電池。
不過，目前已經(jīng)在研制新型的適用潛艇的鋰電池了，估計在不久之后，也能在潛艇上看見鋰電池的身影了。
電動汽車（EV）技術(shù)解決了減少溫室氣體排放的問題。電動汽車的概念側(cè)重于替代能源的利用。然而，電動汽車系統(tǒng)目前在能源存儲系統(tǒng)（ESS）方面面臨安全、尺寸、成本和整體管理問題多個方面的挑戰(zhàn)。此外，先進的電力電子技術(shù)在ESS中的應(yīng)用，是提高EV性能的另外一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文回顧ESS技術(shù)，分類，特性，結(jié)構(gòu)，電力轉(zhuǎn)換，以及在EV上應(yīng)用的優(yōu)點和缺點。此外，本文討論的各種類型的電池，根據(jù)它們的能量存儲機理，材料組成，基于其容量的一般電力輸送過程和整體的ESS系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)和預(yù)期壽命。本文綜述了下一代電動汽車應(yīng)用中ESS技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的諸多因素，挑戰(zhàn)和問題。
1 介紹
通過確保適當(dāng)利用先進技術(shù)，世界正在走向發(fā)展。許多發(fā)展中國家和欠發(fā)達國家正在爭相實現(xiàn)發(fā)達國家的技術(shù)進步。解決公民的交通需求象征著技術(shù)和經(jīng)濟增長的進一步發(fā)展。全球流動性和許多城市的發(fā)展明顯地增加了車輛在道路上行駛的數(shù)量。根據(jù)參考文獻[1]，從1990年到2014年銷售約295.57百萬輛汽車，2014年銷售總額的31.70％。預(yù)計2015年銷量增長3％[1]。
車輛數(shù)量的增長已經(jīng)導(dǎo)致兩個主要問題，即，交通擁堵和二氧化碳（CO2）的排放過量。一般來說，常規(guī)車輛在消耗大約總?cè)剂夏芰?5％[2,3]，其余以CO2，一氧化碳，氮氧化物，碳氫化合物，水和其他溫室氣體（GHG）的形式消散熱量; 總氣體排放量的83.7％為CO2 [4] 。CO2排放量，從1990年的227億噸急劇增加至2013的 352.7億噸[5]中，如圖1所示。隨著CO2從1990年開始的緩慢上升，見于圖1，在未來十年，該增長率從2003年至2008年逐年加快。在2013年，排放量減小至3.80-2.00％。二氧化碳是導(dǎo)致全球變暖的溫室氣體之一，這是一個嚴(yán)重的全球環(huán)境問題。
脫碳在減少二氧化碳運輸部門的排放量，具有重要作用。對化石燃料驅(qū)動車輛的內(nèi)燃機的改進還遠遠達不到CO2 排放目標(biāo)。因此，需要先進技術(shù)才能達到長期和更高的排放目標(biāo)。CO2和其他溫室氣體排放量的減少，是許多國家和研究的重要問題。許多國家和地區(qū)獨自或聯(lián)合通過了計劃，通過電動車輛（EV）代替常規(guī)的內(nèi)燃機車輛的方式減少CO2的排放[6,7] 。減排計劃已經(jīng)設(shè)定了未來幾十年的溫室氣體排放目標(biāo)[4]。電動汽車具有高效率和低排放甚至零排放的優(yōu)點，因而吸引了各方的關(guān)注。 [8]。
圖 1. 運輸二氧化碳（CO 2）排放量[5]
電動汽車將電力儲存在電化學(xué)電池，燃料電池（FC）和超級電容器（UCs）中運行，其最終電力來源包括發(fā)電廠和可再生能源。根據(jù)動力來源不同，電動汽車有幾種類型，如混合動力電動汽車（HEV），純電動汽車（BEV），插電式混合動力電動汽車，光伏電動汽車和燃料電池電動汽車[9，10]。不同于傳統(tǒng)的車輛，電動汽車使用一個或多個動力電源和電動機[10,11]。電動汽車中使用再生制動和熱電發(fā)電機，以減少能源浪費。車輛的制動過程吸收其能量，將其轉(zhuǎn)換回電能，并將能量返回到電池，而熱電發(fā)電機將熱量從發(fā)動機和機器系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換為電力[3,11,12]。電動汽車電動機通常不需要使用傳統(tǒng)的變速箱，并且在很寬的速度范圍內(nèi)具有高轉(zhuǎn)矩。此外，電動汽車在靜止時不消耗任何動力[13]，在運行時消耗75％以上的能量。目前，電動汽車平均使用1千瓦時電量續(xù)航4~8英里[3] 。
電動車是高度依賴于能量存儲技術(shù)，例如 FC和UCS [3,14 - 16] ，它需要從電網(wǎng)充電。電動汽車的額外能源需求是普通電網(wǎng)的新挑戰(zhàn)。為了滿足額外的電力需求，大多數(shù)國家正在投資可再生能源，如太陽能和風(fēng)能 [16] 。 車輛自身的可再生能源和存儲的能源可以在用電高峰期間給大電網(wǎng)供電 （ V2G ） ， 在用電低谷期間從大電網(wǎng)充電恢復(fù)動力性能 [17-19]。存儲在電池系統(tǒng)和其他存儲系統(tǒng)中的電能被用于操作電動機和附件以及車輛的基本系統(tǒng) [20] 。VE上的電池存儲能量，除了用于驅(qū)動電機，還同時給車輛附件供電。車輛的續(xù)航和功率性能完全取決于電池的性能 [3,14 - 16] 。
電動汽車中的電能存儲需要考慮許多要求。管理系統(tǒng)，電力電子接口，電源轉(zhuǎn)換，安全和防護對提高能量效率和實現(xiàn)EV分布式管理都非常重要 [21-25] 。電動汽車需要高科技提供長途續(xù)航和高能量使用效率。能源的選擇和管理，能量儲存和儲能管理系統(tǒng)對未來電動汽車技術(shù)至關(guān)重要[23]。
能量儲存系統(tǒng)（ESS）正在成為電力市場中的重要一環(huán)，提高可再生能源的比例，減少二氧化碳排放量[4,5,8] ，重新定義智能電網(wǎng)概念[26-29] 。ESS對整個電力系統(tǒng)具有重要影響; 它提供了連續(xù)和靈活的電源供給并提高電網(wǎng)應(yīng)對不可控的額外功率波峰的出現(xiàn)。此外，ESS確保了因自然災(zāi)害造成的電力危機期間，仍然能夠為消費者提供可靠的服務(wù) [30]。
本文側(cè)重于ESS制造，利用，回收和處理過程中的環(huán)境和安全問題。不同類型的能量存儲技術(shù)按照發(fā)電過程，特點，以及在電動汽車上的應(yīng)用進行一一解釋。分析比較現(xiàn)有的電化學(xué)儲能單元的特征。
ESS系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)與應(yīng)用該系統(tǒng)的場景及具體參數(shù)有關(guān)。ESS包括機械的，電化學(xué)的，化學(xué)的，電的，熱的和混合的等各種類型[30] 。這些系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)和組成的材料成分分類[14,30] 。圖3展示了儲能介質(zhì)的詳細分類，其中能夠應(yīng)用于EV的類型，涂成灰色。飛輪，二次電化學(xué)電池，F(xiàn)C，UC，超導(dǎo)磁線圈和混合ESS通常用于EV動力系統(tǒng)[9,10,14 - 16,23,30 -33]。
機械存儲系統(tǒng)（MSS）通常用于發(fā)電過程。三個典型的機械儲能系統(tǒng)包括抽水蓄能（PHS），壓縮空氣儲能（CAES），以及飛輪儲能（FES）。應(yīng)用最廣的MSS是PHS，用于抽水電站。在水量大的季節(jié)，將一部分水泵送到高處，儲存水勢能，利用水自高而低的勢能，帶動渦輪機發(fā)電。這個存儲系統(tǒng)貢獻了世界大約99％的電力存儲容量，大約是全球發(fā)電容量的3％ [34]。CAES，壓縮空氣與天然氣混合，膨脹，并進一步轉(zhuǎn)化成混合氣體，輸送到燃氣渦輪發(fā)電機以產(chǎn)生電力 [35] 。CAES的實時需要等溫、絕熱和非絕熱儲存系統(tǒng) [33]。CAES適用于大容量電力生產(chǎn)。
由于電力電子和材料工程的進步，飛輪儲能系統(tǒng)（FES）適用于電動汽車和動力系統(tǒng)[36]。能量效率在90-95％和功率規(guī)模0-50 MW [36 - 43] 。飛輪系統(tǒng)包括在腔室中旋轉(zhuǎn)的圓柱形本體，聯(lián)接軸承，以及能量傳遞裝置，發(fā)電機/電動機一起安裝在一個共同的軸上[15,30,36,37] 。保持飛輪不斷旋轉(zhuǎn)的能量被轉(zhuǎn)換成推動傳動裝置的電能。
